Практика термодинамика

1.3  РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ “ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ” (для нехимических специальностей)

1. Рассчитайте ΔH^o₂₉₈ химической реакции Na₂O(т) + H₂O(ж) → 2NaOH(т) по значениям стандартных теплот образования веществ (, см. таблицу 1 приложения). Укажите тип реакци (экзо- или эндотермическая).

Решение

По данным таблицы 1 приложения, стандартные энтальпии образования Na₂O(т), H₂O(ж) и NaOH(т) при 298К равны соответственно –416, –286 и  –427,8 кДж/моль. Используя следствие из закона Гесса, рассчитываем ΔH^o₂₉₈ химической реакции:

ΔH^o₂₉₈ = 2(NaOH,т) – [(Na₂O,т) + (H₂O,ж)] = 2·(– 427,8) –  – [–416 + (–286)] = –153,6 кДж.

Ответ: –153,6 кДж.

 

2. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса  Na₂O(т) + H₂O(ж) → 2NaOH(т).

Решение.

В данном процессе при взаимодействии 1 моль кристаллического и 1 моль жидкого вещества образуется 2 моль кристаллического вещества. Следовательно, система переходит в состояние с меньшим беспорядком, и энтропия уменьшается (ΔS< 0).

Ответ: уменьшается.

 

3. Рассчитайте величину ΔS^o₂₉₈ для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж) → 2NaOH(т),  используя значения стандартных энтропий веществ (см. таблицу 1 приложения).

Решение.

Используя справочные данные:  S^o(NaOH,т) = 64,16 Дж/(моль·К),  S^o(Na₂O,т) = 75,5 Дж/(моль·К),  S^o(H₂O,ж) = 70 Дж/(моль·К),  рассчитываем ΔS^o₂₉₈:

ΔS^o₂₉₈ = 2·S^o(NaOH,т) – [S^o(Na₂O,т) + S^o(H₂O,ж)] = 2·64,16 – (75,5 + 70) =  = – 17,18 Дж/К.

 Ответ: –17,18 Дж/К.

 

4. Рассчитайте изменение энергии Гиббса (ΔG^o₂₉₈) для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж) → 2NaOH(т)  по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ (см. таблицу 1 приложения). Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298К ?

Решение: 

При стандартных условиях и T=298К  ΔG^o₂₉₈  можно рассчитать как разность суммарной энергии Гиббса образования продуктов реакции и суммарной энергии Гиббса образования исходных веществ. Необходимые справочные данные: (NaOH,т) = –381,1 кДж/моль, (Na₂O) = –378 кДж/моль, (H₂O,ж) = –237 кДж/моль.

ΔG^o₂₉₈ = 2·(NaOH,т) – [(Na₂O,т) + (H₂O,ж)] = 2·(–381,1) –  – [–378 + (–237)] = –147,2 кДж.

Значение ΔG^o₂₉₈  отрицательно, поэтому самопроизвольное протекание реакции возможно.

Ответ:  –147,2 кДж;  возможно.

 

5. Определите, возможно ли при 95^oС самопроизвольное протекание процесса  Na₂O(т) + H₂O(ж) → 2NaOH(т).  Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

Решение:

Переведем температуру в шкалу Кельвина: Т=273+95=368К. Для расчета ΔG^o₃₆₈ воспользуемся уравнением:

ΔG^o₃₆₈ =ΔH^o – TΔS^o

Воспользуемся изменениями энтальпии и энтропии, рассчитанными для данного процесса в предыдущих задачах. При этом величину изменения энтропии необходимо перевести из  Дж/К  в  кДж/К,  поскольку значения ΔH и ΔG обычно измеряют в кДж.

–17,18 Дж/К = –0,01718 кДж/К

ΔG^o₃₆₈ = –153,6 – 368·(–0,01718) = –147,3 кДж.

Таким образом, ΔG^o₃₆₈ < 0, поэтому самопроизвольное протекание данного процесса при 95^oС возможно.

Ответ:  –147,3 кДж;  возможно.

 

6. Составьте термохимическое уравнение реакции взаимодействия Na₂O(т) и H₂O(ж), если при этом образуется 1 моль NaOH(т). В ответе приведите количество теплоты, указанное в термохимическом уравнении.

Решение:

Коэффициенты в термохимическом уравнении имеют смысл молей. Поэтому допустимы дробные значения коэффициентов. 1 мольгидроксида натрия может образоваться из 1/2 моля оксида натрия и 1/2 моля воды. В задании 1 (см. выше) рассчитано, что при образовании 2 мольNaOH в данной реакции выделяется 153,6 кДж теплоты (ΔH^o₂₉₈ = –153,6 кДж). Поэтому при образовании 1 моль NaOH количество выделившейся теплоты будет в 2 раза меньше, т.е. 76,8 кДж. В термохимическом уравнении количество выделяющейся теплоты указывают со знаком “плюс”: 1/2 Na₂O(т) + 1/2 H₂O(ж) → NaOH(т) + 76,8 кДж.

Ответ:  +76,8 кДж.

ПРИЛОЖЕНИЕ

СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ И ИХ СОЕДИНЕНИЯХ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Таблица 1 – Стандартные термодинамические характеристики некоторых веществ

Вещество	кДж/моль		кДж/моль	S^0298 Дж/(моль·К)
Al2(SO4)3 (т)	–3444		–3103	239
Al2O3 (т)	–1676		–1580	50,9
BaCO3 (т)	–1235		–1134	103
BaO (т)	–548		–518	70,4
C (т)	0		0	5,74
C2H4 (г)	52		68	219,4
C2H5OH (ж)	–277		–175	160,7
CaCO3 (т)	–1207		–1128	89
CaO (к)	–636		–603	40
CaSiO3 (к)	–1562		–1550	82
CH3OH (ж)	–239		–166,2	126,8
CH4 (г)	–74,85		–50,79	186,19
Cl2 (г)	0		0	222,96
CO (г)	–110,5		–137,14	197,54
CO2 (г)	–394		–394,4	214
Fe (т)	0		0	27,3
Fe2O3 (т)	–823		–740	87,9
H2 (г)	0		0	130
H2O (г)	–242		–229	189
H2O (ж)	–286		–237	70
H2S (г)	–21		–33,8	206
HСl (г)	–93		–95,3	187
N2O (г)	82		104	220
Na2CO3 (т)	–1138		–1048	136
Na2O (т)	–416		–378	75,5
NaOH (т)	–427,8		–381,1	64,16
NH3 (г)	–46		–16,7	193
NH4Cl (т)	–314		–203	96
NH4NO3 (т)	–365		–184	151
NO (г)	90,37		86,71	210,62
NO2 (г)	33		51,5	240,2
O2 (г)	0		0	205
P2O5 (т)	–1492		–1348,8	114,5
SiO2 (т)	–908,3		–854,2	42,7
SO2 (г)	–297		–300	248
SO3 (г)	–395,2		–370,4	256,23
Zn (т)	0		0	41,59
ZnO (т)	–349		–318,2	43,5